Kelátképző ligandumot tartalmazó aminosavszármazékok előállítása és átmenetifém-komplexeik vizsgálata

Átírás

1 Kelátképző ligandumot tartalmazó aminosavszármazékok előállítása és átmenetifém-komplexeik vizsgálata Készítették: Lennert Lídia (ELTE) Ősz Katalin (KLTE) Témavezetők: Dr. Süliné Vargha Helga (ELTE) Dr. Várnagy Katalin (KLTE) 1999

2

3 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés...4 A vizsgálatok célja Irodalmi áttekintés ldatfázisú kapcsolási eljárások peptidkötés kialakítására...6 Azidos kapcsolás... 6 Savkloridos kapcsolás... 6 Vegyes anhidrides kapcsolás...6 Karbodiimides kapcsolások... 7 Aktív észteres kapcsolások Peptidek sav-bázis és komplexkémiai viselkedése em-koordinálódó donorcsoportot tartalmazó aminosavak és peptidek sav-bázis sajátságai Lehetséges koordinációs módok nem-koordinálódó donorcsoportot tartalmazó peptidekkel... 9 Cu(II)komplexek...11 i(ii)komplexek...12 Zn(II)komplexek Hisztidintartalmú peptidek sav-bázis sajátságai Lehetséges koordinációs módok hisztidintartalmú peptidekkel Cu(II)komplexek...15 i(ii)- és Zn(II)komplexek Bisz(2-imidazolil)származékok komplexkémiai viselkedése Kísérleti eredmények és értékelésük...21 Rövidítésjegyzék A ligandumok szintézise Bisz(2-piridil)-metil-amin előállítása ldatfázisú kapcsolási eljárások -glicil-bisz(2-piridil)-metil-amin előállítására hisztidil-bisz(2-piridil)-metil-amin előállítása különféle védőcsoportok és kapcsolási eljárások alkalmazásával... 26

4 3.2. Az oldategyensúlyi mérések eredményei glicil-bisz(2-piridil)-metil-amin Cu(II)-GlyBPMA rendszer i(ii)-glybpma rendszer...34 Zn(II)-GlyBPMA rendszer hisztidil-bisz(2-piridil)-metil-amin...40 Cu(II)-HisBPMA rendszer Kísérleti körülmények, vizsgálati módszerek A ligandumok előállítása Előállítási és vizsgálati módszerek Futtatóelegyek...44 Vékonyrétegkromatográfia...44 lvadáspont meghatározás Flash-kromatográfiás elválasztás...44 szlopkromatográfia...45 RP HPLC MR A szintézisek menete Boc védőcsoport eltávolítása ldategyensúlyi vizsgálatok Potenciometria Az egyensúlyi számítások elméleti alapjai Spektrofotometria...52 i(ii)komplexek...53 Cu(II)komplexek MR-spektroszkópia ESR-spektroszkópia Összefoglalás Irodalomjegyzék Függelék...62

5 1. Bevezetés A vizsgálatok célja: Különböző fémionok fontos szerepet játszanak az élő szervezetek szerves molekuláinak szintézisében és szállításában, ill. biológiai rendszerek sav-bázis- és redoxifolyamatainak a katalizálásában. Az egyik legfontosabb fémmegkötőhelyet a proteinek képezik. Ezek találhatók meg a metalloenzimekben is, ahol a fémionok a polipeptidlánc speciális aminosavjaihoz (pl. a hisztidin aminosav imidazolil-oldalláncához) kötődve alakítják ki a fehérje harmadlagos szerkezetét és az enzim aktív centrumát. A különféle oligopeptidekkel képzett fémkomplexek vizsgálata nagyban elősegíti a fémion és a protein közötti kölcsönhatás megértését, mivel ezek a kismolekulák alkalmasak lehetnek a metalloproteinek aktív centrumának a modellezésére. Azok a metalloenzimek, amelyek karbonsavészterek, amidok, peptidek vagy foszfátok hidrolízisében vesznek részt, majdnem mindig cink(ii)iont tartalmaznak az aktív centrumban. A mátrix metalloproteinázok (MMP) is cinktartalmú enzimek, amelyekre jellemző, hogy két cink(ii)iont tartalmaznak: egyet az aktív centrumában (ez az úgynevezett katalitikus cink), egyet pedig az enzim más helyéhez kötődve (úgynevezett szerkezeti cink, amelynek a fehérje harmadlagos szerkezetének a kialakításában van szerepe). A mátrix metalloproteinázok felelősek az extracelluláris mátrix anyagainak lebontásáért. Zimogén formában szekretálódnak, s proteolitikus hasadás által válnak aktív enzimekké. A proenzimek aktiválódása egyensúlyi folyamat, amelynek a megbomlása különböző betegségek kialakulásához vezethet. Bizonyos esetekben fokozott enzimaktivitás léphet fel, melyet valamilyen módon csökkenteni kell. Mind a fiziológiás, mind a patológiás folyamatok megértéséhez fémmegkötő, jelen esetben cink(ii)kötő ligandumok komplexképző sajátságainak a vizsgálata szükséges. A koordinációs kémia utóbbi 40 évben tapasztalható fejlődésének az eredményeként ma már jelentős mennyiségű információ áll rendelkezésre a fémion-protein kölcsönhatás jellegéről, így néhány általános törvényszerűséget is sikerült megállapítani. Ezek egyike az, hogy az átmenetifém-ionok egy része (pl.: palládium(ii)-, réz(ii)-, nikkel(ii)- és cink(ii)ion) különféle peptidek esetében képes elősegíteni az amid-nitrogén deprotonálódását, és így peptidszerű koordináció alakulhat ki a fémion körül. 4

6 Korábban az MTA Peptidkémiai Kutatócsoportban cinkproteázok gátlására előállított bisz(2-imidazolil) fémmegkötő csoportot tartalmazó peptidszármazékok átmenetifémkomplexeit vizsgálták a KLTE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszékén. Ismeretes, hogy a bisz(2-imidazolil)-metil-aminnal (BIMA) analóg bisz(2-piridil)-metilamin (BPMA) szintén stabil komplexeket képez az átmenetifém-ionokkal, ezért vizsgálatainkat ilyen csoportot tartalmazó aminosav- és peptidszármazékokra terjesztettük ki. Munkánk során bisz(2-piridil)-metil-amint állítottunk elő az irodalomban közölt eljárás alapján, majd ezt az aminszármazékot kapcsoltuk glicin illetve hisztidin aminosavak karboxilcsoportjához. Az irodalomban még nem közölt vegyületek előállítására a peptidkémiában alkalmazott oldatfázisú kapcsolási eljárásokat alkalmaztuk. Az így előállított vegyületeknél azt tanulmányoztuk, hogy a glicin vagy a hisztidin aminosav C-terminális végéhez kapcsolódó bisz(2-piridil)rész hogyan befolyásolja a peptidszerű koordináció kialakulását. Képes-e a piridin-nitrogén a réz(ii)-, nikkel(ii)- és cink(ii)ionhoz való koordinációban az imidazolil-csoporttal analóg módon horgonycsoportként viselkedni, ezáltal elősegítve az amid-nitrogén deprotonálódását. 5

7 2. Irodalmi áttekintés 2.1. ldatfázisú kapcsolási eljárások peptidkötés kialakítására [1,2] Peptidkötés kialakítására a szerves kémiában oldatfázisú illetve szilárd fázisú (gyantán történő) kapcsolási eljárásokat alkalmaznak. Ahhoz, hogy két különböző aminosav csak egyféleképpen tudjon összekapcsolódni, az egyiknek az amino-, a másiknak a karboxilcsoportját kell védeni. Az oldatfázisú peptidszintézis legáltalánosabban alkalmazott módszereit a következőkben foglaljuk össze. Azidos kapcsolás: Az -terminális végén védett aminosav metilészteréből vagy savkloridjából azidszármazékot állítunk elő. Ezt az azidszármazékot reagáltatjuk a másik aminosavval vagy annak nátriumsójával. A fő reakcióút mellet mellkékreakcióként az azidszármazék Curtiusátrendeződése, amidképződés is végbemehet, valamint egy azidszármazék egy hidrazinszármazékkal reagálva diacil-hidrazin aminosavat szolgáltat. Ennek a kapcsolási módszernek az az előnye, hogy jó termeléssel és minimális racemizációval megy a reakció. Savkloridos kapcsolás: Acil-aminosavkloridot egy másik aminosav nátriumsójával vagy észterével reagáltatjuk ah jelenlétében. Ma már nem alkalmazzák ezt a kapcsolási eljárást, mert a reakció során racemizáció következik be. Vegyes anhidrides kapcsolás: Az -terminálisan védett aminosavszármazék vegyes anhidridjét klór-hangyasav-észter segítségével, bázis jelenlétében állítjuk elő, és ezzel acilezzük a karboxilcsoportján védett aminosavat. A vegyes anhidridképzés -15 C-on történik, mert 0 C hőmérsékleten diszproporcionálódás következhet be. Egy másik mellékreakciója ennek a kapcsolási eljárásnak az uretánképződés. Előnye, hogy jó termeléssel megy a reakció, és lépésenkénti gyors szintézisre alkalmas a lépések közötti izolálás nélkül is. Karbodiimides kapcsolások: 6

8 Diciklohexil-karbodiimiddel reagáltatjuk az aminokomponens karboxilcsoportját, majd a keletkezett átmeneti termék reagál a karboxil-komponenssel, melynek során dipeptid és diciklohexil-urea keletkezik. Ebben a kapcsolási eljárásban a diciklohexil-karbodiimidet kondenzálószerként alkalmazzuk. A mellékreakciók elkerülésére segédreagensek használatával gyorsítható a reakció. Aktív észteres kapcsolások: Előállítjuk az -terminálisan védett aminosav alkil- vagy arilészterét, és ezzel megacilezzük a C-terminálisan védett aminosavat. Előnye ennek a módszernek, hogy az aktív észterek kristályosak, a kapcsolás gyorsan lejátszódik és ezért kevés mellékreakcióra van lehetőség, kicsi a racemizáció mértéke és lépésenkénti gyors peptidszintézis hajtható végre Peptidek sav-bázis és komplexkémiai viselkedése Jól ismert, hogy az aminosavak különböző átmenetifém-ionokkal stabil bisz- vagy triszkomplexeket képeznek. Ezen komplexekben a fémion az α-amino- és a karboxilcsoporthoz koordinálódik, stabilis öttagú kelátot képezve. Ez az alapvető koordinációs mód módosulhat, ha az aminosav oldallánca is tartalmaz valamilyen koordinálódásra hajlamos donorcsoportot. Di-, tri- és oligopeptidek esetében az amino- és a karboxilcsoport túlságosan távol helyezkedik el egymástól, így nem tud öttagú kelátgyűrű képződni a két terminális helyzetű csoporton keresztül: R1 H 3 + H R2 1. ábra: Egy dipeptid általános szerkezeti képlete 7

9 Másrészről viszont már a dipeptidekben is minimum négy donoratom található (aminonitrogén, karbonil-oxigén, amid-nitrogén és karboxil-oxigén), melyek mindegyike egy lehetséges koordinációs hely lehet a fémion számára. Itt is előfordulhatnak egyéb kötőhelyek is az oldalláncban, és ez nagyon változatos összetételű fémion-peptid komplexek kialakulását teszi lehetővé em-koordinálódó donorcsoportot tartalmazó aminosavak és peptidek sav-bázis sajátságai Minden dipeptid minimum három, egymástól elkülönülő funkcióscsoportot tartalmaz: - terminális aminocsoport (-H 2 ) - terminális karboxilcsoport (-C - ) - amidcsoport, azaz peptidkötés (-CH-) Kettőnél nagyobb tagszámú oligopeptidek esetében is ugyanezek a funkcióscsoportok jelennek meg azzal a különbséggel, hogy a terminális csoportok messzebb kerülnek egymástól és több (n-számú aminosavat tartalmazó oligopeptidlánc esetében (n-1)) amidcsoport található a molekulában. Ezeknek az oligopeptideknek a sav-bázis sajátságait tanulmányozva azt találták, hogy ha az oldalláncban nincs valamilyen funkcióscsoport, akkor az oligopeptidnek csak két protonálódási állandója esik a mérhető ph-tartományban (0<pH<14) [3-6] : 1. táblázat: Glicin aminosav és glicint tartalmazó peptidek protonálódási állandói (mérési körülmények: T=298 K; I=0,1 mol/dm 3 ) ligandum pk 2 (-H + 3 ) pk 1 (-CH) Gly 9,60 [5] 2,37 [5] GlyGly 8,13 [6] 3,21 [3] GlyGlyGly 7,96 [6] 3,27 [4] GlyGlyGlyGly 7,97 [6] 3,24 [4] 8

10 Az 1. táblázat adataiból látszik, hogy az ammónio- és a karboxilcsoport deprotonálódási lépése jól elkülönül mindegyik aminosav és peptid esetében. A két csoport pk-ja közötti különbség az aminosavnál a legnagyobb, mert a peptidkötés csökkenti mind az aminocsoport bázicitását, mind a karboxilcsoport savasságát. A tri- és tetraglicin pk-értékei közti hasonlóság alapján újabb glicin-egységek peptidszerű kapcsolódása már nem lenne jelentős hatással a peptid (ligandum) két pk-értékére. Az amidcsoport két lehetséges fém- vagy protonmegkötő donoratomot (karboniloxigént és amid-nitrogént) tartalmaz. Azonban az aminocsoportban még magányos elektronpárt tartalmazó nitrogén elveszíti a bázicitását amikor amidcsoportot alakít ki, mivel az amidcsoportban a karboxilcsoport C= π-kötése az C-atomokon delokalizálódik, aminek következtében a C- kötés részben kettőskötés jellegűvé válik. Így a peptidkötés széles ph-tartományban semleges, és csak nagyon bázikus vagy savas oldatokban képes igen gyenge savként vagy bázisként viselkedni. Ez a tartomány potenciometriásan már nem mérhető meg. Szintén a delokalizáció miatt a kialakult peptidkötés planáris szerkezetű Lehetséges koordinációs módok nem-koordinálódó donorcsoportot tartalmazó peptidekkel Az amidcsoport neutralitása miatt a terminális amino- és karboxilcsoport a legfontosabb fémmegkötőhely. Azt azonban sztérikus okok megakadályozzák, hogy a két terminális csoport ugyanahhoz a fémionhoz koordinálódhasson. Az amino- és a karboxilcsoport így egymástól független, elsődleges kötőhelyei a fémionoknak, és a kölcsönhatások erőssége erősen függ a fémion kémiai jellegétől. A glicinamid és az -acetil-glicin a két legegyszerűbb vegyület a peptidek -, ill. C- terminális végének a modellezéséhez: glicinamid (-terminális) H CH 2 H 2 C H 3 H H -acetil-glicin (C-terminális) 2. ábra: A glicinamid és az -acetil-glicin modellvegyületek szerkezete 9

11 Ezen kismolekulák komplexkémiai sajátságait vizsgálva azt tapasztalták, hogy az - acetil-glicin egyszerű karboxilátként koordinálódik a fémionhoz [7,8]. Ez a viszonylag gyenge kötés nem képes megakadályozni semleges ph-jú vizes oldatban a fémhidroxidcsapadék leválását. Az amidcsoport kelátképző helyzetben van ugyan a karboxilcsoporthoz képest, de ennek a koordinációja csak az amid-nitrogén deprotonálódása után mehetne végbe az amidcsoport kis bázicitása miatt. Ezt a deprotonálódást egyetlen -acetil-aminosav esetében sem sikerült kimutatni. A monodentát koordinálódás következtében a peptidek terminális karboxilcsoportja gyenge fémmegkötőhely, így szerepe csak a komplexképződés irányításában lehet. Ugyanezt mutatja a glicinamid komplexkémiai viselkedése is [9] : H 2 H 2 H 2 Cu 2+ ph>7-2h + H 2 H 2 Cu 2+ H H H 2 [CuL 2 ] 2+ [CuL 2 H -2 ] 3. ábra: A Cu(II)-glicinamid rendszerben különböző ph esetén képződő komplexek szerkezete A koordináció a terminális aminocsoporton kezdődik el. Ezután a glicinamid öttagú kelátot képezhet mind az amid-nitrogén, mind a karboxil-oxigén koordinálódásával. Azt, hogy ezek közül melyik valósul meg, az határozza meg, hogy az amid-nitrogén deprotonálódott-e már, és így lehetővé vált-e a peptidszerű (amid-nitrogénen keresztüli) koordináció kialakulása. A karboxil-oxigénen keresztül kialakuló kötés ([CuL 2 ] 2+ összetételű komplex) az aminosavak koordinálódására hasonlít. Az aminosavkomplexek azonban töltés nélküliek, és így stabilitási állandójuk valamivel nagyobb mint a peptid- vagy a glicinamidkomplexeké, és jóval magasabb mint a karboxilátkomplexeké. A karboxilátkomplexekhez viszonyított stabilitásnövekedés glicinamidkomplex esetén lehetővé teszi a fémion oldatban maradását gyengén bázikus közegben is, ahol már az amidnitrogén deprotonálódhat és így az amid-nitrogén koordinálódhat a fémionhoz. Ebben az 10

12 esetben a két terminális aminocsoport és a két deprotonált amid-nitrogén képes telíteni a Cu(II) koordinációs szféráját ([CuL 2 H -2 ] összetételű komplex). Dipeptidek esetében ugyanígy kialakulhat a peptidszerű koordináció: R1 H H 2 Cu 2+ R2 ph>4 -H + R1 H 2 R2 2+ Cu H 2 [CuL] + [CuLH -1 ] 4. ábra: A Cu(II)-diglicin rendszerben különböző ph esetén képződő komplexek szerkezete A Cu(II)-diglicin rendszerben képződő [CuLH -1 ] összetételű komplex két öttagú kelátgyűrűt is tartalmaz, ami a komplex megnövekedett stabilitásához és az amidcsoport pkjának a csökkenéséhez (pk=4,23 [10] ) vezet. Összegzésképpen megállapíthatjuk, hogy az oligopeptidek terminális aminocsoportja az átmenetifém-ionok elsődleges koordinálódási helye. Savas ph-tartományban (ph<4) az amino-nitrogénen és a szomszédos peptidcsoport karbonil-oxigénjén keresztül közepes stabilitású öttagú kelátszerkezet képződhet. Ezt a szerkezetet az aminosavkomplexekénél kisebb stabilitási állandóval ugyan, de minden vizsgált fémion esetében sikerült kimutatni. Lúgos közegben azonban csak az amid-nitrogén deprotonálódása és koordinálódása képes megakadályozni a fémion hidrolízisét. Ezt a deprotonálódási folyamatot csak néhány fémion képes indukálni. A legfontosabb ilyen fémion a Pd(II)-, Cu(II)- és i(ii)ion. Ezek a fémionok az amid-nitrogén deprotonálódását a fiziológiás ph-tartományba vagy akár az alá is képesek leszorítani. Cu(II)komplexek: A Cu(II)ion minden oligomerrel elsősorban 1:1 összetételű, tetragonális térszerkezetű komplexeket alkot. A Cu(II)-diglicin rendszerben [3,10-14] savas tartományban csak egyféle, [CuL] + összetételű komplex alakul ki az amino-nitrogénen és a karbonil-oxigénen keresztüli koordinálódással. A ph-t 4 fölé emelve az amid-nitrogén deprotonálódik és kialakul a peptidszerű koordináció. Az így képződött, [CuLH -1 ] összetételű komplexnek van egy szabad 11

13 koordinációs helye, ahová a ph-tól és a fémion/ligandum aránytól függően [10,13,15] deprotonált ligandum, H 2 -molekula vagy H - -ion kötődhet be. Biszkomplexek esetében a második ligandum axiális-ekvatoriális helyzetben kötődik a két terminális csoportján keresztül. Ekkor nem történik meg a második ligandum amidnitrogénjének a deprotonálódása, és ez a komplex stabilitásának a csökkenését eredményezi. Ez a szerkezet nem képes megakadályozni ph=9 körül különböző vegyes hidroxokomplexek kialakulását. Erre utal az abszorpciós spektrumban megfigyelhető gyenge vörös eltolódás és a redoxipotenciál csökkenése is [16]. Tri- és tetraglicin esetén [4,6,17,18] is végbemegy Cu(II)-vel az amid-nitrogén deprotonálódása, és így a terminális aminocsoport mellett az amid-nitrogének telítik a Cu(II)ion koordinációs szféráját. Az egymást követő amid-nitrogén deprotonálódási lépések pk-értéke növekszik, de sokkal alacsonyabb mint a szabad ligandumé (ami potenciometriás módszerrel nem is minden esetben mérhető). Az amid-nitrogén deprotonálódását nem csak a potenciometriás adatok, hanem a kalorimetriás, spektrofotometriás és röntgendiffrakciós mérések eredményei is egyértelműen alátámasztják [12,18-22]. i(ii)komplexek: Gyengén lúgos közegben a i(ii)ion is képes indukálni az amid-nitrogén deprotonálódását és koordinálódását [23-26]. A keletkező komplexek sztöchiometriája és szerkezete azonban eltér a Cu(II)komplexekétől. A i(ii)-diglicin renszerben mind a potenciometriás, mind a spektrofotometriás adatok alapján biszkomplexek képződnek, és ph=10 körül már mindkét kapcsolódó ligandum amidnitrogénje deprotonálódótt és koordinálódott. 5. ábra: A i(ii)-diglicin rendszeben képződő [il 2 H -2 ] 2- összetételű komplex szerkezete 12

14 Az itt jelenlévő [il 2 H -1 ] - és [il 2 H -2 ] 2- összetételű komplexek oktaéderes szerkezetűek és paramágneses tulajdonságúak. A röntgendiffrakciós vizsgálatok is kimutatták a hatos koordinációs számú i(ii)komplex jelenlétét az oldatfázisban [27]. Ezzel szemben a i(ii)-triglicin és a i(ii)-tetraglicin rendszerben síknégyzetes, diamágneses, intenzív sárga színű komplex kialakulása jellemző. A potenciometrikus adatok alapján ph=8-9 körül a ligandum már (diglicin esetében) két, (triglicin esetében) három protont veszített. Az amid-nitrogének deprotonálódásának ph-értékei nem állapíthatóak meg pontosan, mert a deprotonálódási lépések a síknégyzetes komplex képződése miatt kooperatív mechanizmussal mennek végbe [28]. A [ilh -1 ] - összetételű komplex koncentrációja minden fémion/ligandum aránynál és minden ph-nál elhanyagolható, így a stabilitási állandója nem adható meg pontosan. Ugyanezek állapíthatóak meg a i(ii)-tetraglicin rendszerről is, ahol a három amidnitrogén kooperatív deprotonálódása a [ilh -3 ] 2- összetételű, síknégyzetes geometriájú komplex képződését teszi lehetővé. Ez a fajta szerkezet a Cu(II)-tri- és tetraglicin komplexeknél talált szerkezettel analóg, de itt nincs axiális helyzetben fém-ligandum kölcsönhatás. A feltételezett, amid-nitrogéneken keresztüli síknégyzetes diamágneses koordinációt igazolja a röntgendiffrakciós kristályszerkezet [29], az abszorpciós spektrum és az MR-vizsgálatok [18,24,26] is. Az oligopeptidek i(ii)komplexeinek másik fontos jellemzője a különböző deprotonált formák egymásba való lassú átalakulása. A kinetikai inertség, és ezzel együtt a potenciometriás mérés nehézsége növekszik a deprotonált peptidcsoportok számának a növekedésével. Zn(II)komplexek: Savas és gyengén bázikus oldatban még a Zn(II)-peptid rendszerek is vizsgálhatók csapadék leválása nélkül [30]. ph>5 esetén kelátgyűrű képződik a terminális aminocsoporton és a szomszédos karbonilcsoporton keresztül. Habár a Zn(II)ion koordinálni tudja a peptidmolekulákat, egyszerű (oldalláncban donorcsoportot nem tartalmazó) dipeptidek esetén nem képes elősegíteni az amid-nitrogén deprotonálódását. 13

15 Hisztidintartalmú peptidek sav-bázis sajátságai A hisztidint tartalmazó peptidekre vonatkozóan található irodalmi adatokból láthatjuk, hogy a különböző típusú funkcióscsoportokra kapott pk-értékeket nem nagyon befolyásolja a hisztidin peptidláncon belül elfoglalt helye: 2. táblázat: Hisztidin aminosav és hisztidint tartalmazó peptidek protonálódási állandói (mérési körülmények: T=298 K; I=0,1 mol/dm 3 ) ligandum pk 3 (-H + 3 ) pk 2 (imidazol-nitrogén) pk 1 (-CH) His [31] 9,09 6,02 1,7 GlyHis [32] 8,22 6,77 2,51 HisGly [32] 7,59 5,94 2,96 GlyHisGly [33] 7,98 6,35 2,06 GlyGlyHis [33] 7,96 6,64 2,92 Itt is tapasztalható az amidcsoport azon hatása, hogy csökkenti mind az aminocsoport bázicitását, mind a karboxilcsoport savasságát. Az imidazol-3 pk 2 értéke nő, ha a hisztidin aminosav egy glicin aminosavhoz C- terminálisan kapcsolódik, és ugyan kisebb mértékben, de csökken, ha ez a kapcsolódás - terminális Lehetséges koordinációs módok hisztidintartalmú peptidekkel Az imidazol-3 az egyik legfontosabb, metalloenzimekben előforduló fémmegkötőhely. Ilyen típusú kötés van pl. a szénsavanhidrázban, ahol három imidazolgyűrűhöz, a karboxipeptidázban és a termolizinben, ahol két imidazolgyűrűhöz és egy karboxilát anionhoz Zn(II)ion, és a plasztocianinban, ahol két imidazolgyűrűhöz és két kénatomhoz réz(ii)ion kapcsolódik [34]. 14

16 Az imidazol-3 donoratom képes versengeni az aminosav kötőhelyeivel, és jelentősen növeli a komplex stabilitását. A hatás nagyban függ az imidazolrésznek a peptidláncon belül elfoglalt helyétől [8]. Általánosan megállapítható, hogy az imidazolil-oldalláncot C-terminális részen tartalmazó dipeptid amid-nitrogénjének a deprotonálódását az oldallánc kölcsönhatása a fémionnal elősegíti. ligopeptidekben ugyanígy a nem -terminális helyen lévő oldallánc elősegíti az előtte lévő amid-nitrogén deprotonálódását. Ezzel szemben az -terminális részen levő oldallánc erős koordinálódása a fémionhoz gátolhatja, vagy akár meg is akadályozhatja a deprotonálódást [32,35]. Cu(II)komplexek: Az irodalomban megjelent adatok alapján az - és a C-terminális hisztidintartalmú dipeptidek koordinációs kémiája eltérő. A Cu(II)-HisGly rendszerben képződött komplexek összetétele és szerkezete a fémion/ligandum aránytól függ. Az -terminális hisztidinszármazéknál az amino-nitrogén és az imidazol-3 megfelelő pozícióban van ahhoz, hogy hattagú kelátgyűrűt képezzen. Ligandumfelesleg esetén az amid-nitrogén deprotonálódás nem tud lejátszódni, és hisztaminszerű koordinációval stabil biszkomplex ([CuL 2 ] 2- ) képződik [32] : H H 2 C H 2 Cu 2+ H 2 CH 2 H 6. ábra: ACu(II)-HisGly rendszerben képződött [CuL 2 ] 2- összetételű komplex szerkezete 1:1 fémion/ligandum arány esetén a Cu(II)ion koordinációs szférája telítetlen, ami lehetővé teszi az amid-nitrogén deprotonálódását és koordinálódását. ph=6 körül a diglicinnél is megfigyelhető koordinációs mód lép fel: a ligandum az amino-nitrogénen, amid-nitrogénen és karbonil-oxigénen keresztül kötődik a központi fémionhoz. A Cu(II)ion negyedik koordinációs helyét egy másik [CuLH -1 ] egység imidazolil-oldallánca foglalja el, és így dimer szerkezet képződik. 15

17 A deprotonált komplex képződése hidroxohidas szerkezettel is értelmezhető [36], de további potenciometriás [37-39] és spektrofotometriás [40] vizsgálatok az amid-nitrogén deprotonálódást támasztották alá. Ha azonban a hisztidin aminosav C-terminális végéhez egy hosszú, nemkoordinálódó oldallánc kapcsolódik, amely sztérikusan nehezíti a dimerizációt, monomer-dimer egyensúly alakul ki az oldatban [41]. A Cu(II)-GlyHis rendszer esetében sztérikus okok kizárják a hisztaminszerű koordinációt, így megvan a lehetőség egy 3-es, [CuLH -1 ] összetételű komplex kialakulására a termiális amino-nitrogén, deprotonált amid-nitrogén és imidazol-3 donoratomokon keresztül. Ezt a fajta kötést először Martin & Edsall írta le [42] és bizonyította potenciometriás és spektrofotometriás mérésekkel. Ugyanezt a fajta szerkezetet igazolták mások potenciometriás,spektrofotometriás és röntgendiffrakciós szerkezetvizsgálatai is [36,38,43-46]. A [CuLH -1 ] összetételű komplexben a fémionnak van egy szabad koordinációs helye, amely képes egy másik GlyHis-hez koordinálódni. A második ligandum monodentát ligandumként kötődik a terminális amino-nitrogénen vagy az imidazol-3-en keresztül. Ugyanezt a koordinációs módot találták más, C-terminális helyzetben hisztidin aminosavat tartalmazó dipeptidek esetében is [32,44]. A hisztidintartalmú peptidek másik fontos vonása az imidazolgyűrű pirrol-1-jének a kémiai jellegéből adódik. A szabad ligandumban ez a csoport nagyon gyenge sav (pk>14), így általában nem vesz részt a koordinációban [47]. Az imidazol-3 és a fémion közti kölcsönhatás azonban elősegítheti a pirrol-1 deprotonálódását [48]. Korábban már történtek ilyen jellegű vizsgálatok Cu(II)-, i(ii)- és Zn(II)-hisztidin ill. -hisztamin törzs- és vegyes ligandumú komplexeire vonatkozóan. Ennek során megállapították, hogy a i(ii)- és Zn(II)ion a pirrol-1 ionizációját nem befolyásolja lényegesen a szabad ligandumhoz képest. Ezzel szemben a folyamat Cu(II)iont és hisztidintartalmú dipeptideket tartalmazó rendszerekben lejátszódik, de a pirrol-1 pk-ja itt is jelentősen függ a komplex kötésmódjától. A legalacsonyabb értéket (pk~10,5) a Cu(II)-GlyHis rendszerben kapták. Ebben az esetben a deprotonálódást a d-d átmenet jellegzetes kék eltolódása kíséri. Morris & Martin [49] kimutatta, hogy a [CuLH -1 ] egységekből [Cu 4 L 4 H -8 ] 4- tetramerek képződnek, hacsak ezt sztérikus faktorok nem akadályozzák meg (mint pl. ProHis esetében a prolin aminosav nagyméretű oldallánca [50] ). Cu(II)-HisGly rendszer esetében [CuL 2 ] összetételű komplexnél 11-nél nagyobb pkértéket kapunk az imidazol-1 protonálódási állandójára. Itt az imidazolgyűrű nem csak 16

18 hídligandumként szerepel, hanem egy kelátgyűrű része [43]. Az olyan dimer komplexekben, ahol az imidazol csak hídligandumként szerepel, hidrolízis játszódik le. i(ii)- és Zn(II)komplexek: A hisztidin aminosavat tartalmazó peptidek a rézen kívül más átmenetifém-ionokkal is könnyen komplexet képeznek. Ezen komplexek szerkezetét jelentősen befolyásolja az imidazolil-oldallánc peptiden belül elfoglalt helye. A HisGly ligandum amid-nitrogénjének a deprotonálódása csak bizonyos fémion/ligandum arányoknál mehet végbe. Ez azzal magyarázható, hogy elegendő ligandum esetén hisztaminszerű koordinációval [ML 2 ] összetételű biszkomplex képződik. Ez a komplex elég stabil ahhoz, hogy megakadályozza a peptidcsoportnak a fémion koordinációs szférájába kerülését és deprotonálódását. Ezzel szemben a ligandumként GlyHis-t tartalmazó rendszerekben [MLH -1 ] 2- összetételű komplex képződik, hasonlóan mint Cu(II)ionnal, ahol a terminális aminonitrogén, deprotonált amid-nitrogén és imidazol-3 donoratomokon keresztül megy végbe a koordináció [42,49,51] Bisz(2-imidazolil)származékok komplexkémiai viselkedése Metalloenzimekben a hisztidin aminosav imidazol-nitrogénje gyakran a fémionok kötődési helye. Ezen enzimek aktív centrumában a fehérjemolekula háromdimenziós szerkezete az imidazolgyűrűket olyan közeli helyzetbe hozza, hogy azok képesek egyazon fémionhoz koordinálódni. Így ezeknek az enzimeknek jó modelljei lehetnek azok az egyszerű imidazolszármazékok, amelyekben két imidazolgyűrűt alifás szénlánc köt össze [52,53]. Három ilyen alapvegyület szintézise és vizsgálata történt meg [52-56] : 17

19 H 2 H H H H H H H a., b., c., 7. ábra: A legegyszerűbb bisz(2-imidazolil)származékok szerkezete a.: bisz(2-imidazolil)-metán (BIM) b.: bisz(2-imidazolil)-metil-amin (BIMA) c.: 3[bisz(2-imidazolil)]-propionsav (BIP) A bisz(2-imidazolil)-metil-amin és a 3[bisz(2-imidazolil)]-propionsav szerkezete lehetővé teszi, hogy hozzájuk C- ill. -terminálisan aminosavat, vagy akár egy hosszabb peptidláncot kapcsoljunk [52,53]. Ha valamely metalloenzim szelektív gátlását akarjuk elérni, akkor ehhez a fémiont jól koordinálni képes bisz(imidazolil)csoporthoz olyan vegyületrészt (ebben az esetben egy peptidláncot) kell kapcsolni, amely modellezi az enzim által hasítani képes szubsztrátot, vagy annak hasadó kötés körüli környezetét. Ezen elképzelés alapján próbálták kifejleszteni az emlős kollagenáz enzim (egy, a -ProLeuGlyIleAlaGly- kollagén szekvenciát hasító, Zn(II)iont tartalmazó metalloenzim) szelektív inhibítorát [52,53,57]. Egy ilyen összetett komplexkémiai rendszernek a vizsgálatánál, mint amilyen pl. egy bisz(2-imidazolil)csoportot tartalmazó peptidszármazék Zn(II)ionnal történő komplexképzése, célszerű először a ligandum részegységeinek az adott fémionnal történő viselkedését tisztázni. Az átmenetifémek peptidekkel alkotott komplexeit, mint azt az előző (2.2.) fejezet is mutatja, nagyon sokféle szempontból vizsgálták már, így ezen a területen nincs szükségünk újabb mérések elvégzésére. A bisz(2-imidazolil)rész komplexkémiai viselkedésével kapcsolatos irodalmi adatok viszont még igen hiányosak. Az ez utóbbi csoportot tartalmazó ligandumok átmenetifém-komplexeinek eddigi vizsgálatai [55,58-60] egyrészt azt mutatják, hogy a bisz(2-imidazolil)csoport erős fémmegkötő sajátságú. Ez az imidazolgyűrűk π-akceptor sajátságával és a hattagú, stabilis kelátszerkezet kialakulásával magyarázható. 18

20 H H [Cu] ábra: Cu(II)-BIM rendszerben képződő [CuL] 2+ összetételű komplex szerkezete A szabad terminális aminocsoportot nem tartalmazó metán- és a karbonsavszármazék alapvegyületek (BIM és BIP), ill. az -terminális végükön védett aminosavak és peptidek bisz(2-imidazolil)származékainak Cu(II)ionnal való komplexképzését tanulmányozva azt találták, hogy a Cu(II)ion körül a teljes ph-tartományban a bisz(2-imidazolil)csoportok koordinálódnak, stabilis mono- ill. biszkomplexeket képezve. Ezt a koordinációs módot egy deprotonált karboxil- vagy egy, a peptidszekvenciában lévő hisztidin aminosavhoz tartozó imidazolcsoport nem képes lényegesen megváltoztatni, vagyis ezek a donorcsoportok csak gyengébb, axiális koordinációra képesek. Másrészt a vizsgálatok azt mutatták, hogy a koordinációs módot egy szabad terminális aminocsoport jelenléte alapvetően képes megváltoztatni. Ebben az esetben ugyanis deprotonálódása után az aminocsoport képes konkurálni a bisz(2-imidazolil)csoporttal az erősebb, ekvatoriális kötőhelyekért. Ha az aminocsoporttal kelátképző helyzetben amidcsoport található, akkor az aminocsoport deprotonálódásával párhuzamosan lejátszódik az amid-nitrogén deprotonálódása is, és peptidszerű koordináció alakul ki a fémion körül [57] : H 2 H Cu 2+ H 9. ábra: Cu(II)-GlyBIMA rendszerben képződött [CuLH -1 ] + összetételű komplex koordinációs módja A 9. ábrán látszik, hogy a Cu(II)ion körül még van egy szabad ekvatoriális koordinációs hely, és a ligandum egyik imidazolnitrogénje még szintén koordinálódásra képes. Ez lehetőséget teremt dimer szerkezet kialakulására, melynek jelenlétét a Cu(II)-GlyBIMA 19

21 rendszerben spektrofotometriásan és ESR-spektroszkópiával is sikerült is kimutatni [57] ([Cu 2 L 2 H -2 ] 2+ összetételű komplex). Ezeknek a dimer szerkezeteknek a jelenléte jelentősen megnehezíti a vizsgálatokat, mivel a monomerek és a dimerek közti különbség potenciometriásan nem mérhető ki egyértelműen. Ennek a kiküszöbölésére kezdtük el a bisz(2-imidazolil)származékokkal analóg bisz(2-piridil)származékok vizsgálatát. Ezekben a vegyületekben az imidazolil-csoportokat kisebb π-akceptor sajátságú, így koordinálódásra és dimer képzésére kevésbé hajlamos piridil-csoportokkal helyettesítettük. Ezen ligandumok átmenetifém-komplexeivel kapcsolatban az irodalomban eddig az alapvegyületeken kívül [61,62] csak a prolinszármazékról (-prolil-bisz(2-piridil)-metil-amin, azaz ProBPMA) jelentek meg adatok [63]. A ligandumként bisz(2-piridil)származékot tartalmazó rendszerek komplexkémiai viselkedésének tisztázása segítséget nyújthat a bonyolultabb, bisz(2-imidazolil)származékokat tartalmazó rendszerek koordinációs kémiai jellemzéséhez. 20

22 3. Kísérleti eredmények és értékelésük Rövidítésjegyzék: Boc BP DCHA DMF EtAc HBt MM TFA terc. butil-oxi-karbonil-csoport benztriazol-1-il-oxi-trisz(dimetilamino)-foszfónium-hexafluorofoszfát diciklo-hexil-amin dimetil-formamid etil-acetát 1-hidroxi-benztriazol -metil-morfolin trifluor-ecetsav 3.1. A ligandumok szintézise Bisz(2-piridil)-metil-amin előállítása bisz(2-piridil)-ketonból [64,65] Bisz(2-piridil)-ketonból első lépésként bisz(2-piridil)-ketonoximot (1) állítottunk elő, és az így kapott kristályos termékből állítottuk elő a bisz(2-piridil)-metil-amint (2): C H2H HCl piridin C H bisz(2-piridil)-keton ábra: Bisz(2-piridil)-ketoxim előállítása 21

23 C H 4 Ac Zn CH H ábra: Bisz(2-piridil)-metil-amin szintézise H 2 2 A feldolgozás során eltértünk az irodalmi eljárástól, amely szerint ph=10-re történő lúgosítás után a termék éterbe átrázható. Ez a művelet a mi kísérletünk során nem volt elég hatékony, ezért az elegyet tovább lúgosítottuk és kloroformba ráztuk át ldatfázisú kapcsolási eljárások alkalmazása -glicil-bisz(2-piridil)-metil-amin előállítására Az -glicil-bisz(2-piridil)-metil-amin (5) előállítását kétféle úton hajtottuk végre: I. Z-Gly-H kapcsolása BPMA-val BP reagens alkalmazásával, majd a Z védőcsoport eltávolítása II. Boc-Gly-H vegyesanhidrides kapcsolása BPMA-val, majd a Boc védőcsoport eltávolítása I. a) Z-Gly-BPMA (3) előállítása: Az aminocsoportján benzil-oxi-karbonil-csoporttal védett glicint BP-os aktívészteres eljárással kapcsoltuk a BPMA-val: 22

24 CH 3 CH 3 CH 2--C-H-CH 2 -CH Z-Gly-H + CH3 CH3 + P CH CH PF 6 DMF MM Z-H-CH C-P [(CH 3 )) 2 ] 3 PF 6 BP HBt CH2--C-H-CH 2 -C Z-H-CH 2 -C Z-H-CH2-C Z-Gly-Bt DMF BPMA MM CH 2 --C-H-CH 2 -C-H-CH + H ábra: Z-Gly-BPMA előállítása HBt A reakciót vékonyrétegkromatográfiával (VRK) követtük a reagensek elfogyásáig. A reakció közben felszabaduló HBt-től ahc 3 -os kirázással szabadultunk meg. 23

25 A vékonyrétegkromatográfia szennyezést mutatott a termék mellett, amitől oldószereleggyel (ld.kísérleti rész) való eldörzsöléssel szabadultunk meg. I.b) H-Gly-BPMA (5) előállítása, a Z védőcsoport eltávolítása: A Z-Gly-BPMA vegyületről a Z védőcsoportot katalitikus hidrogénezéssel hasítottuk le: Z-Gly-BPMA H2/Pd HCl CH3 + HC-H-CH2 -C-H-CH C2 + H2-CH2-C-H-CH ábra: H-Gly-BPMA előállítása A Z védőcsoport hasítása savkatalízissel sem nem ment végbe teljes mértékben, egy idő után leállt a hidrogénezési reakció. A vékonyrétegkromatogram alapján azonosított Z-Gly- BPMA-t és H-Gly-BPMA-t flash-kromatográfia alkalmazásával választottuk el egymástól. A kapott anyagot bepároltuk, liofilizáltuk. A termék tisztaságát HPLC-vel vizsgáltuk és szerkezetét az MR-spektrum alapján azonosítottuk (ld. függelék). 2.a) Boc-Gly-BPMA (4) előállítása: A Z védőcsoport hasításakor fellépő nehézségek miatt Boc-Gly-H-t használtunk kiindulási vegyületként. A Boc-Gly-H-ból klórszénsav-etilészter segítségével vegyes anhidridet készítettünk, és ezzel acileztük a BPMA-t. 24

26 CH3 CH 3 C -C -H-CH 2 -C H + C 2 H 5 --C Cl Boc-H-CH 2 -C DCM, MM -5 C C2H5--C CH 3 Boc-Gly-H Boc-H-CH 2 -C C2H5--C + BPMA DCM,25 o C ph:7-8 Boc-Gly-BPMA + C 2 + EtH 14. ábra: Boc-Gly-BPMA előállítása Vékonyrétegkromatográfiával követtük a reakciót. A reakcióelegy tisztítására diklórmetános kirázásokat végeztünk. A diklórmetános fázist bepároltuk, és a bepárlási maradékban levő mellékterméktől éteres eldörzsöléssel szabadultunk meg. 1.b) H-Gly-BPMA (5) előállítása, a Boc védőcsoport eltávolítása: A Boc védőcsoport hasítását először HCl/dioxán elegyével kíséreltük meg, ekkor azonban a reakció egy idő múlva leállt.a következő kísérletben TFA-t alkalmaztunk, és ez az eljárás a VRK alapján megfelelőnek bizonyult a Boc védőcsoport eltávolítására. CH 3 CH 3 CH 3 C -C-H-CH 2 -C-H-CH TFA CH 3 C + C 2 +H-Gly-BPMA CH 3 CH ábra: H-Gly-BPMA előállítása 25

27 hisztidil-bisz(2-piridil)-metil-amin előállítása különféle védőcsoportok és kapcsolási eljárások alkalmazásával A H-His-BPMA (12) előállítására háromféle eljárást próbáltunk ki: I. H-His-H-ből Boc-His(Boc)-H.DCHA sót állítottunk elő, majd sójából felszabadítottuk, és az így megtisztított a Boc-His(Boc)-H-t BP-os aktív észteres kapcsolással BPMA-hoz kapcsoltuk. A következő lépésben eltávolítottuk a Boc védőcsoportokat. II. Z-His- 2 H 3 -t azidosan kapcsoltuk BPMA-val, és a Z védőcsoportot katalitikus hidrogénezéssel ill. HBr/jégecet eleggyel hasítottuk. III. Boc-His(Boc)-Me-ből Boc-His- 2 H 3 -t állítottunk elő, és ezt BPMA-val azidosan kapcsoltuk, majd TFA-val lehasítottuk a Boc védőcsoportot. 1.) H-His-BPMA előállítása BP-os aktívészteres kapcsolással: H-His-H + (Boc) 2 TEA,dioxán o C (Boc) 2 HisH+ H 2 (Boc) 2 HisH éter, 0 o C (Boc) 2 HisH DCHA DCHA ábra: Boc-His(Boc)-H.DCHA (6) előállítása [65] A Boc-His(Boc)-H-t (7) DCHA-t sójából felszabadítottuk [66] és az így kapott olajos anyagot BPMA-val aktív észteres eljárással kapcsoltuk, miközben a reakció menetét VRK-val követtük. A kapott Boc-His(Boc)-BPMA-ról (8) 4,4 HCl/EtAc-os eleggyel hasítottuk le a Boc védőcsoportokat. A VRK alapján a reakció gyorsan lezajlott, és a H-His-BPMA barnás csapadékként vált ki az oldatból. Az oldatot átráztuk, a szerves fázist bepároltuk. A nyersterméket vízben oldottuk és HPLC-n tisztítottuk. Végül a terméket az MR-spektruma alapján azonosítottuk. A reakció nem ment elég jó kitermeléssel, ezért egy újabb kapcsolási eljárással próbálkoztunk. 2.) H-His-BPMA előállítása Z-His-HH 2 -ből azidos kapcsolással: 26

28 A Z-aminosav hidrazid-származékából azid-származékot (9) állítottunk elő, majd az azidos kapcsolási eljárásoknak megfelelően az azid-származékot izolálás nélkül rögtön kapcsoltuk BPMA-val: Z-His-HH2 a2, HCl -5 o C, DMF Z-His- 3 9 TEA, DMF Z-His-3+ BPMA Z-His-BPMA 1h, ph:7-8, -5 o C 17. ábra: Z-His-BPMA előállítása A VRK szerint a reakcióelegy szennyezést is tartalmazott, amitől éteres eldörzsöléssel nem sikerült megszabadulni, ezért a nyersterméket használtuk fel a továbbiakban. A Z védőcsoport eltávolítására katalitikus hidrogénezést alkalmaztunk. A hidrogénezés során nem kaptunk egységes terméket, ezért a Z védőcsoport eltávolításának egy másik módját választottuk: HBr/jégecetes hasításra tértünk át. inhidrin pozitív terméket izoláltunk, melyet tömegspektrometriás elemzésre küldtünk el. A tömegspektrum szerint az izolált anyag hisztidin volt, vagyis az aminosav és a bisz(2- piridil)-metil-amin közötti amidkötés elhasadt a Z védőcsoport hasítása során: HBr CH 2 --C-His-BPMA jégecet CH 2 Br+C 2 +H-His-H+BPMA 18. ábra: A HBr/jégecetes kezelés eredménye 3.) H-His-BPMA előállítása Boc-His(Boc)-Me-ből: MeH Boc-His(Boc)-Me + 2 H 4 Boc-His- 2 H 3 + Boc- 2 H 3 48 h ábra: BocHis 2 H 3 (10) előállítása 27

29 Sárga, olajos terméket kaptunk, amely a VRK alapján Boc- 2 H 3 mellékterméket tartalmazott. A terméket, melyet éteres eldörzsöléssel tisztítottunk, azidosan kapcsoltunk a BPMA-al. A reakcióelegyben levő Boc-His-BPMA-t (11) oszlopkromatográfiás eljárással tisztítottuk meg a többi mellékterméktől, és a Boc védőcsoportot TFA-val hasítottuk. A kapott TFA-só kis mintáját HCl-sóra cseréltük és liofilizáltuk. Ez a művelet a liofilizátum VRK-ja alapján az anyag bomlását okozta Részben hisztidin is keletkezett, hasonlóan mint a Z-His- BPMA HBr/jégecetes kezelésekor. Ennek alapján feltételezzük, hogy a H-His-BPMA erős savra érzékeny vegyület, ezért TFA-só formájában izoláltuk. A Z védőcsoport katalitikus hidrogénezésénél fellépő nehézségek pedig a bisz(2-piridil)rész fémmegkötő képességével magyarázható, mint ahogy azt a Z-Gly-BPMA vegyületnél is láttuk. Ennek a feltételezésnek az igazolására további vizsgálatokra van szükség. A H-His-BPMA tisztaságát HPLC-vel vizsgáltuk, és szerkezetét MR-rel azonosítottuk (ld. függelék) Az oldategyensúlyi mérések eredményei glicil-bisz(2-piridil)-metil-amin (GlyBPMA) 28

30 H 2 CH 2 H 20. ábra: Az -glicil-bisz(2-piridil)-metil-amin szerkezete A ligandum két piridingyűrűt és egy aminocsoportot tartalmaz. Az ezekhez tartozó mért protonálódási állandó értékek, ill. az összehasonlításhoz használt ligandumok ezen adatai: 3. táblázat: GlyBPMA és az összehasonlításként használt vegyületek protonálódási állandói (mérési körülmények: T=298 K; I=0,2 mol/dm 3 ) ligandum pk(piridin-nitrogén) pk(piridin-nitrogén) pk(-h + 3 ) GlyBPMA <1,5 3,34(1) 7,91(5) GlyGly [6] 8,13 GlyGlyHis [33] 7,96 GlyBIMA [63] 7,95 piridin [62] 5,31 ProBPMA [63] < 1,5 3,19 8,59 Az aminocsoport pk-ja hasonló egy di-vagy tripeptid, vagy a GlyBPMA-val analóg bisz(2-imidazolil) származék GlyBIMA ugyanezen csoportjának pk-jával. A ligandumban levő mindkét piridin-nitrogén pk-ja lecsökkent a szabad piridin pkjához képest. Ez azzal magyarázható, hogy a két protonált piridin-nitrogén közeli helyzete sztérikusan és elektrosztatikusan is kedvezőtlen, így az aromás gyűrűk kölcsönhatása csökkenti a piridin-nitrogének pk-ját, elősegíti azok deprotonálódását. 29

31 A két gyűrű közti távolság, azaz az ezeket összekötő alifás lánc hosszának növelésével a gyűrűk közti kölcsönhatás csökken, így a pk-értékek közelebb esnek a piridin esetén mért értékhez. Ezt bizonyítják az α,ω-bisz(2-piridil)-alkánok protonálódási állandói [62] : ( CH 2 ) n 21. ábra: Egy α,ω-bisz(2-piridil)-alkán általános szerkezete 4. táblázat: α,ω-bisz(2-piridil)-alkánok protonálódási állandói (mérési körülmények: T=298 K; I=0,2 mol/dm 3 ) n piridin pk 1 2,69 3,99 4,80 5,27 5,45 5,61 5,31 pk 2 4,49 5,18 5,80 6,15 6,25 6,33 6,38 A mi esetünkben tehát ez alapján az n=1 esetében kapott értékeket várnánk. Azonban a bisz(2-piridil)-metánszármazékok pk-értékét a metincsoporton lévő szubsztituensek is befolyásolják elektronszívó vagy elektronküldő hatásuk révén. Ezen ligandum esetén az amidcsoport elektronszívó hatása az, ami a pk-értékek további csökkenését okozza. Cu(II)-GlyBPMA rendszer: A rendszerben képződött komplexek sztöchiometriája és stabilitása leginkább a Cu(II)- ProBPMA rendszerhez [63] hasonlít, mivel a két ligandumnak a szerkezetükből következően azonos típusú koordinálódási helyei vannak. A potenciometriás mérések alapján a Cu(II)-GlyBPMA rendszer a következő komplexekkel írható le: 5. táblázat: A Cu(II)-GlyBPMA rendszerben és az összehasonlításként használt rendszerekben képződött komplexek sztöchiometriája és stabilitási állandóik [63,57] (mérési körülmények: T=298 K; I=0,2 mol/dm 3 ) 30

32 komplex összetétele lgβ(cu(ii)-glybpma) lgβ(cu(ii)-probpma) lgβ(cu(ii)-glybima) [CuLH] 3+ 11,96(8) 13,21(8) 17,11(9) [CuL] 2+ 8,12(5) 9,71(8) [CuLH -1 ] + 4,27(6) 6,08(7) [Cu 2 L 2 H -2 ] 2+ 18,43(2) [CuLH -2 ] -5,19(7) -3,36(7) -0,92(4) [CuL 2 H 2 ] 4+ 31,64(9) [CuL 2 ] 2+ 18,96(5) [CuL 2 H -1 ] + 11,30(8) moltört [CuLH -1 ] + [CuLH] 3+ [CuLH -2 ] Cu 2+ [CuL] ph ábra: A komponensek eloszlása a Cu(II)-GlyBPMA rendszerben (H 3 L=GlyBPMA) a ph függvényében (kiindulási koncentrációk: c GlyBPMA = mol/dm 3 ; c Cu(II) = mol/dm 3 ) Ezen komplexek képződését igazolták az ESR-spektrumok is, melyek alapján kizárható mind a biszkomplexek, mind a dimerek vagy más oligomerek képződése. 31

33 A koordináció savas tartományban a két piridingyűrűn kezdődik el ([CuLH] 3+ összetételű komplex), majd az ammónio-csoport deprotonálódásával és gyenge axiális koordinációjával kis mennyiségű [CuL] 2+ alakul ki. Ez a max. 30% körüli mennyiség nem elegendő ahhoz, hogy az ESR-spektroszkópia kimutassa. Az axiális koordinációra mégis az utal, hogy ennek a hiányában az ammónio-csoport deprotonálódása a szabad ligandummal azonos ph-tartományban (csak ph = 8 körül) menne végbe. Ezután ph=4 körül az ammónio-csoporttal párhuzamosan az amid-nitrogén is deprotonálódik, és így peptidszerű koordináció alakul ki a fémion körül ([CuLH -1 ] + összetételű komplex). A teljes fiziológiás ph-tartományban ez a részecske az uralkodó. ph = 9 fölött vegyes hidroxo-komplexek ([CuLH -2 ]) képződését tapasztaltuk. Az UV-látható spektrofotometriás adatok alapján is csak monomer komplexek mutathatók ki, ugyanis több nitrogén koordinálódása (ami bekövetkezik dimer és más oligomer komplexek esetén) kisebb λ max értékeket okozna az 1:2 fémion/ligandum aránynál felvett spektrumokban az 1:1 aránynál mért adatokhoz képest. 6. táblázat: A Cu(II)-GlyBPMA rendszerben különböző fémion/ligandum arányoknál és különböző ph-értékeken felvett spektrumok λ max értékei (mérési körülmények: T=298 K 1:2 arány: c GlyBPMA = 5, mol/dm 3 ; c Cu(II) = 2, mol/dm 3 1:1 arány: c GlyBPMA = 5, mol/dm 3 ; c Cu(II) = 5, mol/dm 3 ) 1:2 arány 1:1 arány ph λ max [nm] ph λ max [nm] 2, , , , , , , ,

34 Az 1:1 és 1:2 fémion/ligandum aránynál tapasztalt azonos spektrális viselkedés az előző táblázat adatai alapján szerkesztett ábrán is jól látszik: λmax[nm] :1 arány 1:2 arány ph 23. ábra: λ max változása a ph függvényében 1:1 és 1:2 fémion/ligandum aránynál A rendszer hasonlóságot mutat a Cu(II)-GlyBIMA rendszerrel [63], ahol ugyancsak 1:1 komplexek keletkeznek túlnyomó többségben, bár már megjelennek a biszkomplexek is. A Cu(II)-GlyBIMA rendszerben mind a spektrofotometriás, mind az ESR-vizsgálat dimer szerkezet kialakulását mutatta ([Cu 2 L 2 H -2 ] 2+ összetételű komplex), míg itt még ligandumfelesleg esetén is csak 1:1 összetételű komplexek keletkeztek. Az imidazolgyűrű erősebb fémmegkötőhely lévén képes lehet hídcsoportként működni, míg a gyengébb fémmegkötő piridingyűrű erre nem alkalmas, így nem segíti elő a dimer szerkezetek kialakulását. A biszkomplexek hiányát szintén a piridil-csoport kisebb fémmegkötő képessége okozhatja. Emellett sztérikus tényezők is gátolhatják a második ligandum kapcsolódását. [CuL 2 H -2 ] összetételű komplex kialakulására (amely a i(ii)-glybima rendszerben ligandumfölösleg esetén ph>8 tartományban uralkodó komplex volt) nincs is lehetőség a Cu(II)ionra jellemző torzult oktaéderes geometria miatt. i(ii)-glybpma rendszer: 33

35 Az összehasonlítást itt ugyancsak a ProBPMA és a GlyBPMA ligandumot tartalmazó rendszerekkel [63] végeztem el: 7. táblázat: A i(ii)-glybpma rendszerben és az összehasonlításként használt rendszerekben képződött komplexek sztöchiometriája és stabilitási állandóik [63,57] (mérési körülmények: T=298 K; I=0,2 mol/dm 3 ) komplex összetétele lgβ(i(ii)-glybpma) lgβ(i(ii)-probpma) lgβ(i(ii)-glybima) [ilh] 3+ 10,97(5) 11,85(1) 14,24(3) [il] 2+ 5,30(3) [ilh -1 ] + -1,46(2) -1,02(1) -0,01(2) [ilh -2 ] -11,17(3) -7,81(2) [il 2 H 2 ] 4+ 21,2(1) 27,79(3) [il 2 H] 3+ 15,88(5) 21,17(6) [il 2 ] 2+ 9,46(4) 9,66(10) 13,26(6) [il 2 H -1 ] + 4,5(1) [il 2 H -2 ] -5,03(3) -5,00(2) log(k 1 /K 2 ) 0,710 0,690 log(k 1 /K 2 )=logk(mlh)-logk(ml 2 H 2 )=2logβ(MLH)-logβ(ML 2 H 2 ) A log(k 1 /K 2 ) értékek azt mutatják meg, hogy mennyire kedvezményezett a második lidandum belépése a fémion koordinációs szférájába. Itt ez az érték kb. megegyezik a statisztikusan számolható értékkel, és a i(ii)-glybpma ill i(ii)-glybima rendszerre kapott hasonló log(k 1 /K 2 ) értékek is azt mutatják, hogy a bisz(2-imidazolil)- és bisz(2- piridil) koordináció esetén kb. egyformán kedvezményezett a biszkomplexek kialakulása. 34

36 moltört i 2+ [il 2 H -2 ] [ilh] 3+ [ilh -1 ] + [il 2 ] 2+ [il 2 H] 3+ [il 2 H 2 ] ph 24. ábra: A komponensek eloszlása a i(ii)-glybpma rendszerben (H 3 L = GlyBPMA) a ph függvényében. (kiindulási koncentrációk: c GlyBPMA = mol/dm 3 ; c i(ii) = mol/dm 3 ) Savas tartományban jóval kisebb mértékű az [ilh] 3+ összetételű komplex képződése, mint a [CuLH] 3+ összetételű komplexé volt. A piridingyűrű kevésbé stabilan koordinálódik a i(ii)ionhoz mint Cu(II)ionhoz. Ezzel szemben az analóg BIMA-származék [57,63] képes volt megkötni már a i(ii)iont is savas tartományban. A i(ii)-probpma rendszerrel szemben itt protonált biszkomplexek ([il 2 H 2 ] 4+ ill. [il 2 H] 3+ ) képződését is sikerült kimutatnunk, ezek azonban még 1:2 fémion/ligandum aránynál is csak kis mennyiségben képződtek. A i(ii)-glybpma rendszerben is bekövetkezik a ph emelésével az amid-nitrogén deprotonálódása. Ez a folyamat alacsonyabb ph-n (ph>6) megy végbe mint a i(ii)- GlyBIMA rendszerben, éppen a bisz(2-piridil)csoport kisebb fémmegkötő képessége miatt. A kialakuló komplexek összetétele függ a fémion/ligandum aránytól: 1:2 aránynál különféle összetételű oktaéderes biszkomplexek, ph=10 körül a [il 2 H -2 ] sztöchiometriájú, szintén oktaéderes komplex a meghatározó, melyben a i(ii)ionhoz két ligandum kapcsolódik peptidszerű koordinációval. (Ezzel szemben a i(ii)-glybima rendszerben [57] ezen a ph-n már 1:1 összetételű vegyes hidroxo-komplexek képződése figyelhető meg ligandumfelesleg esetén is ). 35

37 1:1 fémion/ligandum aránynál elsősorban monokomplexek keletkeznek. Az itt domináló [ilh] 3+, [il] 2+ és [ilh -1 ] + összetételű komplexek a spektrofotometriás adatok alapján egyértelműen oktaéderes geometriájúak. ph>10 esetén azonban ([ilh -2 ] összetételű komplex) síknégyzetes sáv jelenik meg, ami oktaéderes-síknégyzetes egyensúlyra utalhat abszorbancia ph=7,92 ph=10, ph=2,77 ph=6, hullámhossz[nm] 25. ábra: A i(ii)-glybpma rendszerben 1:1 fémion/ligandum aránynál, különböző phértékeken felvett spektrumok (mérési körülmények: c i(ii) = 5, mol/dm 3 ) A i(ii)-glybpma rendszerben képződött komplexek stabilitása hasonlít a i(ii)- ProBPMA rendszerben képződött, azonos sztöchiometriájú komplexekéhez. Ez a két rendszer hasonló koordinációs lehetőségeit mutatja. Mindkét ligandumban azonos típusú és kötéserősségű donoratomok vannak. Az ennek ellenére tapasztalható eltérő sztöchiometriát a sztérikus gátlások okozhatják. 36

38 Zn(II)-GlyBPMA rendszer: A Zn(II)-GlyBPMA rendszer ugyancsak hasonlít a Zn(II)-ProBPMA rendszerhez, ill. semleges és lúgos tartományban a i(ii)-glybpma rendszerhez: 8. táblázat: A Zn(II)-GlyBPMA rendszerben és az összehasonlításként használt rendszerben képződött komplexek sztöchiometriája és stabilitási állandóik (mérési körülmények: T=298 K; I=0,2 mol/dm 3 ) komplex összetétele lgβ(zn(ii)-glybpma) lg β (Zn(II)-ProBPMA) [ZnLH -1 ] + -3,23(1) -2,68(1) [ZnLH -2 ] -11,94(1) [ZnL 2 ] 2+ 6,66(7) [ZnL 2 H -1 ] + -0,7(1) -0,5(1) [ZnL 2 H -2 ] -9,12(7) -8,59(2) A számolási eredmények és a titrálási görbe alapján is látható, hogy savas tartományban (ph<5) ph-metriásan nem mutatható ki kölcsönhatás a dipiridilrésszel. A kötés kialakulása nem zárható ki, de csak a ligandum deprotonálódása után mehet végbe a koordináció, ezért ez nem okoz mérhető ph-effektust. A ph emelésével végbemegy az amid-nitrogén deprotonálódása. ktaéderes geometriájú, [ZnL 2 H -1 ] + és [ZnL 2 H -2 ] összetételű biszkomplexek (1:2 fémion/ligandum aránynál), ill. [ZnLH -1 ] + komplex képződése számolható. A bisz(2-piridil)-csoport tehát képes ebben a rendszerben is horgonycsoportként viselkedve elősegíteni az amid-nitrogén deprotonálódását és a peptidszerű koordináció kialakulását. Az irodalom szerint erre Zn(II)ion esetén az eddig vizsgált ligandumok közül csak a C-terminális végükön hisztidin aminosavat tartalmazó peptidek voltak képesek [42,49,51]. ph=9 felett vegyes hidroxo-komplexek ([ZnLH -2 ] összetételű komplex) képződése számolható, és 11-es ph-ig nem megy végbe a Zn(II)ion hidrolízise. 37